氮化铝:助力高质量外延生长的缓冲层

自1947年美国贝尔实验室研制出世界上的第一个晶体管以来,半导体行业经历了六七十年的发展,其发展代系主要如下:

第一代半导体:以Si,Ge半导体材料为代表的窄带隙半导体;

第二代半导体:以GaAs,InP半导体材料为代表的二元化合物半导体;

第三代半导体:以碳化硅(SiC),氮化镓(GaN),氧化锌(ZnO),金刚石和氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料,具有禁带宽度宽,击穿电场高,热导率高,电子饱和速率高以及抗辐射能力高等优点。

图1 第一代Si半导体材料和第三代半导体材料物性图
其中,氮化铝(AlN)是极具应用潜力和市场前景的超宽禁带半导体材料,因其具有很多优良的性质,如其禁带宽度高达6.2 eV(直接带隙)、高热导率(320 W/m)、高硬度(1200 kg/cm2)、高化学稳定性和热稳定性、高击穿电场(1.2-1.4 mV/cm)、介电系数小,与GaN晶格失配度小等,使得氮化铝成为紫外和深紫外LED及激光等电子器件最为优秀的衬底材料。

图2 生长GaN外延衬底和GaN之间的晶格匹配关系

图3 AlN的缓冲层应用

同时因AlN具有的优良的压电性能、高的表面声波传播速度(c轴方向理论上可达6000 m/s)和较高的机电耦合系数,是GHz级声表面波器件的优选压电材料。而高质量AlN晶圆的成功制备是高功率、高频电子器件和紫外探测器、紫外激光以及深紫外LED等电子器件在国防、航空航天、生物医疗、集成电路、交通通信等尖端科技领域的应用基础。

图4 AlN材料在高频通信的应用
目前,化合积电利用定制化设备成功制备高质量AlN薄膜,其XRD(002)峰半高宽在0.2°左右,经生长优化后的AlN表面粗糙度均可控制在1 nm以下。后续将会进一步优化AlN质量,并推出6英寸的AlN基板。

图5 化合积电AlN产品

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